تعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد: النقاط الفنية والقيمة الاقتصادية

في سيناريوهات الإنتاج الصناعي وإمدادات الطاقة المدنية، غالبًا ما تؤدي الطاقة التفاعلية الناتجة عن مقاومة المعدات أثناء نقل الطاقة إلى زيادة في فقدان الطاقة، وتقلبات كبيرة في الجهد، وانخفاض في استخدام معدات تحويل وتوزيع الطاقة. وباعتبارها المكون الأساسي لتعويض الطاقة التفاعلية، أصبحت المكثفات منخفضة الجهد مفتاحًا لحل هذه المشكلات نظرًا لمزاياها المتمثلة في مرونة التكيف وإمكانية التحكم في التكاليف. تشرح هذه المقالة بالتفصيل كيفية تحسين كفاءة إمدادات الطاقة وتعظيم الفوائد الاقتصادية من خلال التطبيق العلمي للمكثفات منخفضة الجهد، حيث تغطي وظائفها، وطرق تعويضها، ونقاطها التقنية الرئيسية، وحساب سعتها، وتوفر مراجع عملية للمؤسسات وأنظمة الطاقة.

القيمة الأساسية لتعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد: أربع وظائف لحل تحديات

من خلال تعويض الطاقة التفاعلية في نقل الطاقة، تعمل المكثفات منخفضة الجهد على تحسين نظام إمداد الطاقة بشكل كبير في أربعة أبعاد: استخدام المعدات، واستهلاك الطاقة، واستقرار الجهد، ومعامل قدرة الشبكة، مما يجعلها "خيارًا فعالاً من حيث التكلفة" لتحسين الطاقة.

1. تحسين استخدام معدات تحويل وتوزيع الطاقة، وخفض تكاليف

تشغل الأحمال منخفضة معامل القدرة مساحة كبيرة من سعة معدات تحويل وتوزيع الطاقة (مثل المحولات وخزانات التوزيع)، مما يؤدي إلى "تشغيل زائد" أو "هدر في السعة" للمعدات. يمكن أن يؤدي التوصيل المتوازي للمكثفات منخفضة الجهد لتعويض القدرة التفاعلية إلى تقليل السعة المطلوبة للمعدات، مما يُخفض بشكل مباشر تكاليف الاستثمار والتشغيل والصيانة.

• الصيغة الأساسية : يمكن حساب السعة المخفضة (ΔS) لمعدات تحويل وتوزيع الطاقة باستخدام الصيغة:

ΔS = P/COSφ₁ - P/COSφ₂ = P×(COSφ₂ - COSφ₁)/(COSφ₂×COSφ₁)​

(حيث P هي القدرة النشطة للحمل، وCOSφ₁ هو عامل القدرة قبل التعويض، وCOSφ₂ هو عامل القدرة بعد التعويض)

• مثال على التأثير : بأخذ حمل بقدرة 1000 كيلوواط كمثال، يرتفع معامل القدرة من 0.7 (قبل التعويض) إلى 0.95 (بعد التعويض). وفقًا للمعادلة، يمكن خفض سعة المعدات بمقدار 376 كيلوفولت أمبير. بالنسبة للمشاريع الجديدة، يعني هذا إمكانية اختيار محولات وخزائن توزيع ذات سعة أصغر، مما يقلل تكاليف شراء المعدات. بالنسبة للمشاريع القائمة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى خفض تكاليف رسوم الكهرباء الأساسية (في بعض المناطق، تُفرض رسوم الكهرباء بناءً على سعة المعدات)، مما يوفر أكثر من 10,000 يوان صيني سنويًا.

2. تقليل خسائر نقل الطاقة، وتحسين استخدام

أثناء نقل الطاقة لمسافات طويلة، يزيد التيار التفاعلي من فقدان التيار في الخط (يتناسب الفقد طرديًا مع مربع التيار). تعمل المكثفات منخفضة الجهد على تقليل التيار الكلي في الخط عن طريق تعويض القدرة التفاعلية، مما يقلل الخسائر بشكل كبير.

• سيناريو التطبيق : يُعدّ تأثير توفير الطاقة لمكثفات الجهد المنخفض بالغ الأهمية في سيناريوهات إمدادات الطاقة بعيدة المدى، مثل المناطق الصناعية وأنظمة الري الريفية. على سبيل المثال، يُزوّد ​​خط كهرباء بجهد 10 كيلو فولت مصنعًا على بُعد كيلومترين. قبل التعويض، يبلغ معدل فقدان الطاقة في الخط 8%؛ وبعد تركيب مكثفات الجهد المنخفض، ينخفض ​​هذا المعدل إلى أقل من 5%. بناءً على إمداد طاقة سنوي يبلغ مليون كيلوواط/ساعة، يبلغ معدل توفير الطاقة السنوي التقريبي 30,000 كيلوواط/ساعة، أي ما يعادل أكثر من 20,000 يوان صيني من رسوم الكهرباء.

3. تثبيت الجهد الكهربائي، وضمان التشغيل الطبيعي للمعدات

خلال فترات ذروة استهلاك الطاقة، يؤدي نقص القدرة التفاعلية بسهولة إلى انخفاض الجهد الطرفي (على سبيل المثال، تتعطل محركات الورش بسبب انخفاض الجهد، وتتوقف الأجهزة المنزلية المدنية عن العمل بشكل متكرر). يمكن لمكثفات الجهد المنخفض أن تُكمل القدرة التفاعلية آنيًا، وتضبط سعة تقلبات الجهد، وتتحكم في الجهد ضمن النطاق المسموح به وفقًا للمعايير الوطنية (220 فولت ± 7%).

• حالة عملية : خلال ذروة استهلاك الطاقة في مصنع لتجهيز الأغذية خلال فصل الصيف، انخفض جهد الورشة إلى ١٩٠ فولت، مما أدى إلى توقف معدات التجميد. بعد تركيب مجموعتين من المكثفات منخفضة الجهد بقدرة ١٠٠ كيلو فولت أمبير، استقر الجهد عند ٢١٠-٢٢٠ فولت، وانخفض معدل أعطال المعدات بنسبة ٤٠٪، وتحسنت استمرارية الإنتاج بشكل ملحوظ.

4. تحسين معامل قدرة الشبكة، وتجنب غرامات

تنص قواعد أعمال إمدادات الطاقة في الصين بوضوح على ضرورة أن يصل معامل القدرة للمستخدمين الصناعيين إلى 0.9 أو أعلى؛ وإلا، ستُفرض غرامات على رسوم الطاقة التفاعلية (مثل غرامة بنسبة 5% من إجمالي رسوم الكهرباء عندما يكون معامل القدرة 0.7). يمكن للمكثفات منخفضة الجهد زيادة معامل القدرة بدقة إلى النطاق المطلوب، حتى أنه يتجاوز المعيار (مثلاً، أعلى من 0.95)، مما يُساعد الشركات على تجنب الغرامات. وفي بعض المناطق، يمكن للشركات الاستفادة من حوافز تخفيض رسوم الكهرباء.

II. طريقتان أساسيتان لتعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد: اختيار الحلول التكيفية حسب الطلب

وفقًا لنطاق مصدر الطاقة وخصائص توزيع الحمل، يُقسّم تعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد بشكل رئيسي إلى طريقتين: "التعويض المركزي" و"التعويض في الموقع". ويتعين على الشركات اختيار الطريقة المناسبة بناءً على ظروفها الخاصة لتحقيق أقصى قدر من تأثير التعويض.

1. التعويض المركزي: مناسب لسيناريوهات

• طريقة التثبيت : تكوين مجموعات متعددة من المكثفات ذات الجهد المنخفض (عادةً مجموعات مكثفات من نوع الخزانة بسعة مجموعة واحدة تتراوح من 50 إلى 300 كيلو فولت أمبير) على ناقل التوزيع لمحطة توزيع الجهد المنخفض للتعويض مركزيًا عن الطاقة التفاعلية ضمن نطاق مصدر الطاقة بالكامل؛
• المزايا الأساسية : إدارة مريحة، ويمكن تحقيق التبديل التلقائي من خلال وحدة تحكم موحدة (مثل PLC)، والتكيف مع السيناريوهات التي تعمل فيها أحمال متعددة في وقت واحد (على سبيل المثال، المتنزهات الصناعية ومراكز التسوق الكبيرة)؛
• السيناريوهات المطبقة : المناطق ذات الأحمال المركزة نسبيًا وخطوط الكهرباء القصيرة (≤500 متر). على سبيل المثال، قامت محطة توزيع في منطقة صناعية بتركيب أربع مجموعات من مكثفات الجهد المنخفض بقدرة 200 كيلو فولت أمبير، والتي تكفي لتغطية احتياجات تعويض القدرة التفاعلية لعشرة مصانع صغيرة ومتوسطة الحجم، وارتفع معامل القدرة الإجمالي إلى أكثر من 0.92.

2. التعويض في الموقع: مناسب لحالات التحميل الكبيرة الفردية والمسافات الطويلة

• طريقة التركيب : قم بتثبيت المكثفات ذات الجهد المنخفض مباشرة بالقرب من المعدات الكهربائية (على سبيل المثال، بجانب المحركات، داخل خزائن التحكم في محطة الضخ)، وقم بتوصيلها بالتوازي مع الحمل لإمداد الطاقة، وتعويض الطاقة التفاعلية التي تولدها المعدات في الموقع؛
• المزايا الأساسية : يتجنب انتقال التيار التفاعلي في الخط، ويقلل من فقدان الخط المحلي، وهو مناسب بشكل خاص لإمدادات الطاقة لمسافات طويلة أو المعدات الفردية عالية الطاقة (على سبيل المثال، المحركات التي تزيد عن 10 كيلو وات، ومضخات الري الريفية)؛
• السيناريوهات القابلة للتطبيق : محطات الري الريفية (بطول خط يتراوح بين 1 و3 كيلومترات)، ومحركات الورش الكبيرة (مثل ضواغط 50 كيلوواط). على سبيل المثال، بعد تركيب مكثف منخفض الجهد بقدرة 50 كيلوفولت لمضخة ري ريفية، انخفض فاقد التيار في الخط بنسبة 35%، وارتفعت كفاءة الري بنسبة 20%، ولم تكن هناك حاجة لانتظار استهلاك الطاقة خارج أوقات الذروة لتشغيل المعدات.

ثالثًا. النقاط الفنية الرئيسية لتعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد: تجنب المخاطر وضمان التشغيل المستقر

في تطبيق المكثفات ذات الجهد المنخفض، يجب التركيز على ثلاث قضايا رئيسية - "منع التيار المتدفق، ومنع تضخيم التوافقيات، ومنع الإثارة الذاتية" - لتجنب تلف المعدات أو فشل النظام وضمان التشغيل الآمن والموثوق لنظام التعويض.

1. منع اندفاع التيار: تجنب تأثير التيار عند تشغيل

عند توصيل المكثفات ذات الجهد المنخفض بشبكة الطاقة، من المحتمل أن يحدث تيار اندفاع بقيمة ذروة تبلغ 5-10 أضعاف التيار المقدر على الفور، مما قد يؤدي إلى انهيار طبقة عزل المكثف أو حرق الموصل.

• الحلول :
• اختيار المكثفات ذات الجهد المنخفض مع المقاومات المحددة للتيار، أو توصيل مفاعلات الحد من التيار على التوالي في دائرة الإدخال لتقليل قيمة ذروة تيار الاندفاع؛
• اعتماد تقنية التبديل المتأخر لتجنب التبديل المتزامن لمجموعات مكثفات متعددة (فترة زمنية ≥30 ثانية)؛
• مرجع حساب تيار الاندفاع : يُمكن حساب تيار الاندفاع (Is) تقريبيًا باستخدام الصيغة: Is = In×√(S/Q) ​​(حيث In هو التيار المُصنّف للمُكثّف، وS هي قدرة دارة القصر في موقع التركيب، وQ هي سعة المُكثّف). أثناء التصميم، من الضروري التأكد من أن قيمة ذروة تيار الاندفاع ≤5 أضعاف التيار المُصنّف.

2. منع تضخيم التوافقيات: تجنب رنين

تُشكّل المكثفات منخفضة الجهد والمحاثات الخطية دائرة LC. في حال وجود توافقيات ثالثة أو خامسة أو سابعة أو غيرها في شبكة الطاقة، يُحتمل حدوث رنين، مما يؤدي إلى تضخيم التوافقيات، وارتفاع درجة حرارة المكثف، وارتفاع الجهد بشكل غير طبيعي.

• الحلول :
• ربط المفاعلات بقيمة مفاعلة معينة (عادة 6% أو 7% مفاعلة) على التوالي في دائرة المكثف ذات الجهد المنخفض لتغيير تردد الرنين لدائرة LC وتجنب الترددات التوافقية؛
• ركّب كاشفات التوافقيات لمراقبة محتوى التوافقيات في شبكة الكهرباء آنيًا. إذا تجاوزت التوافقيات المعيار (مثلاً، معدل التشوه التوافقي الكلي >5%)، فمن الضروري استخدام مرشحات طاقة نشطة معًا.

3. منع الإثارة الذاتية: التحكم في سعة

إذا كانت سعة المكثفات ذات الجهد المنخفض كبيرة جدًا، فسيؤدي ذلك إلى قيام المحرك بتوليد جهد إثارة ذاتية عند توقفه، مما يؤدي إلى دخول المحرك في حالة توليد الطاقة وإتلاف عزل المعدات.

• الحلول :
• يجب أن تكون سعة التعويض أقل من سعة المحرك عند عدم التحميل، وعادةً ما تكون 0.9 مرة من سعة المحرك عند عدم التحميل. صيغة الحساب هي: Qc = 0.9×3UI₀ (حيث U هو جهد النظام، وI₀ هو تيار المحرك عند عدم التحميل).
• على سبيل المثال، محرك بقدرة 10 كيلوواط، لديه تيار بدون حمل قدره 5 أمبير وجهد نظام قدره 380 فولت. وفقًا للمعادلة، فإن سعة مكثف الجهد المنخفض الذي يمكن اختياره هي 0.9×3×380×5≈5130 فار (أي ما يعادل 5 كيلو فولت تقريبًا)، مما يُجنّب الإثارة الذاتية الناتجة عن السعة الزائدة.

رابعًا: حساب السعة والتحكم في اختيار تعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد: مطابقة المتطلبات

يُعدّ التحديد العلمي لسعة مكثفات الجهد المنخفض واختيار طريقة التحكم المناسبة في التبديل أساسَي ضمان تأثير التعويض. وتتطلب حسابات دقيقة مبنية على معاملات الحمل تجنب "التعويض الزائد" أو "التعويض الناقص".​

1. حساب قدرة التعويض: حساب دقيق بناءً على هدف

• الصيغة الأساسية : يتم حساب سعة المكثف منخفض الجهد المطلوبة (Qc) بناءً على التغير في عامل القدرة: Qc = P×(tgφ₁ - tgφ₂) (حيث P هي القدرة النشطة للحمل، وtgφ₁ هي القيمة الظلية المقابلة لعامل القدرة قبل التعويض، وtgφ₂ هي القيمة الظلية المقابلة لعامل القدرة المستهدف بعد التعويض)؛
• مثال حسابي : القدرة الفعالة لحمل ورشة هي P = 800 كيلوواط، ومعامل القدرة قبل التعويض هو COSφ₁ = 0.7 (tgφ₁ ≈ 1.02)، ومعامل القدرة المستهدف بعد التعويض هو COSφ₂ = 0.95 (tgφ₂ ≈ 0.33). عندها، Qc = 800 × (1.02-0.33) = 552 كيلو فولت أمبير. عمليًا، يمكن اختيار 6 مجموعات من مكثفات الجهد المنخفض سعة 100 كيلو فولت أمبير (بسعة إجمالية 600 كيلو فولت أمبير)، مع هامش ربح صغير للتعامل مع تقلبات الحمل.

2. طريقة التحكم في التبديل: اختر بناءً على استقرار

• التبديل اليدوي : مناسب للحالات ذات الأحمال المستقرة وتكرار الاستخدام المنخفض (مثل محركات الورش الصغيرة). يتم تبديل المكثفات منخفضة الجهد يدويًا عبر مفاتيح التشغيل، بتكلفة منخفضة.
• التبديل التلقائي : مناسب لحالات التقلبات الكبيرة في الأحمال والتشغيل المستمر (مثل مراكز التسوق والمصانع الكيميائية). تُستخدم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أو وحدات التحكم المخصصة للتبديل التلقائي لمجموعات المكثفات بناءً على معامل القدرة (مثل التشغيل عندما يكون معامل القدرة أقل من 0.9، والإيقاف عندما يكون أعلى من 0.95) لتجنب التعويض الزائد.
• التبديل المتأخر : بغض النظر عن التبديل اليدوي أو التلقائي، يجب ضبط التأخير (≥30 ثانية) لمنع تأثير التيار الزائد الناتج عن التبديل المتكرر للمكثفات وإطالة عمر خدمة المعدات.

V. الخاتمة: تعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد - الحل الأمثل لخفض تكاليف المؤسسات وتحسين

في ظل تزايد الطلب على الطاقة وتزايد متطلبات توفيرها، أصبح تعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد الوسيلة الأساسية للشركات لتحسين أنظمة الطاقة لديها، بفضل مزاياه الثلاثية المتمثلة في "تحسين الكفاءة، وتقليل الخسائر، وتوفير التكاليف". سواءً في الإنتاج الصناعي، أو العمليات التجارية، أو الري الزراعي، يمكن تعظيم قيمة المكثفات منخفضة الجهد من خلال اختيار أساليب التعويض علميًا، وحساب السعة بدقة، وتجنب المخاطر التقنية، مما يحقق الهدفين المتمثلين في التشغيل المستقر لنظام إمداد الطاقة وتحسين المنافع الاقتصادية.

إذا واجهت مؤسستك مشاكل مثل انخفاض معامل القدرة، أو ارتفاع فواتير الكهرباء، أو صعوبة في تشغيل المعدات، يُرجى ترك رسالة لإبلاغنا بنوع الحمل (مثل طاقة المحرك، وطول خط إمداد الطاقة)، ​​ومعامل القدرة الحالي، وغيرها من المعايير. ستوفر لك شركة هينجرونغ للكهرباء المحدودة حلولاً مُخصصة لتعويض القدرة التفاعلية للمكثفات منخفضة الجهد، مما يُساعد مؤسستك على خفض التكاليف وتحسين الكفاءة!